章鑫杰 张全 崔岩峰 孙运霞
(国电南京自动化股份有限公司 江苏南京 ２１０００３)
摘 要:当前智能变电站均采用GOOSE的方式，针对可靠性更高的双网GOOSE，提出一套可以正确可靠处理GOOSE双网异常的方案。适用于使用双网GOOSE的智能变电站，能够更可靠的支持GOOSE输出，大大加强抗风险能力。
关键词:IEC 61850；通用面向对象变电站事件 （G O O S E )；双网；继电保护
Exception handling scheme based on GOOSE dual network
ZhangXinjie1，ZhangQuan1，CuiYanfeng1，SunYunxia
(NanjingSACPowerGridAutomationCo．,Ltd．,Nanjing 21003,China)
Abstract: The current smart substations all adopt the GOOSE method. Aiming at the more reliable dual-network GOOSE, a set of solutions that can correctly and reliably handle the GOOSE dual-network abnormality is proposed. It is suitable for smart substations using dual-network GOOSE, which can support GOOSE output more reliably and greatly enhance the ability to resist risks.
Keywords: IEC 61850; general object-oriented substation event (GO O S E ); dual network; relay protection
0 引言
目前数字化变电内保护装置与智能终端、保护装置之间的启动、动作、跳闸等关系到电网运行安全的重要信息均采用GOOSE方式传输，而GOOSE传输基于发布和订阅模式，没有相互确认机制。只能通过双网传输、重传机制来保证GOOSE信号的可靠性。
正常GOOSE双网接收机制是：1）当接收StNum大于本机StNum，更新GOOSE数据。2）当接收StNum小于本机StNum，若发布端装置重启，更新数据。反之，丢弃数据。3）当接收StNum等于本机StNum，判断SqNum，SqNum变大丢弃数据。SqNum不变或变小，若发布端装置重启，更新数据。反之，丢弃数据。
上述方法中发布端装置重启的判据为发布端发送StNum=1，SqNum=1的报文，一旦发布端报文异常或变电站内网络异常可能导致重启报文丢失，从而导致GOOSE报文长期不能更新，故障发生时保护不能正确动作。
另外上述方法是基于变电站内GOOSE传输正常情况下的接收机制，没有考虑到实际现场的不确定性，如网络风暴、交换机异常、非预期报文、异源数据等异常情况下的接收判断机制。而GOOSE报文传输的是关系到电网安全的重要信息，一旦出现上述情况，保护装置通过目前的双网判断机制是无法保证能正确动作。异常状况消失后，保护装置也不能自动恢复原来的GOOSE双网接收机制。
因此，根据目前的GOOSE双网接收机制，需针对变电站内各种异常情况进行判断。故而需要重新设计一种可行可靠的双网故障机制，如果出现网络风暴、发送端乱序、异源数据等异常情况时能及时判断异常，改变接收机制，准确处理GOOSE数据。
1 方案概述
目前GOOSE双网接收机制仅提供了在两个网络状态正常，发布端GOOSE报文符合预期的情况下，订阅端如何接收GOOSE数据的方法。然而现实数字化变电站内的网络状况复杂多变，本文综合现场实际问题分别在：单网风暴，双网风暴的情况下如何过滤风暴报文，获取正常发送的GOOSE报文；在发布端报文异常或重启后重要报文丢失的情况下，如何判断非预期报文，获取正确的GOOSE报文；在工程配置出错，导致站内出现异源数据时，如何及时发现异常并通知运维人员；给予解决方案。
本方案的一种基于GOOSE双网接收机制的异常判断方法，第一步，对GOOSE网络风暴的处理，统计每秒内的GOOSE帧，判断是否存在网络风暴，再通过CRC过滤的方法，过滤风暴报文，保证正常GOOSE帧的传输；第二步，对GOOSE异常报文的处理，通过每个网络中GOOSE报文的StNum和SqNum的异常判断进行独立统计，来选择正确的GOOSE报文，若两网同时异常，则认为对侧重启或网络丢帧，接收报文更新数据；第三步，对异源数据的处理，通过对GOOSE心跳报文的计数，来判断网上是否存在因配置错误导致的异源数据。
2 方案设计
2.1网络风暴判断机制
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（1）统计每秒内收到的报文数目，若超过设定值则认为网络存在风暴，开启风暴抑制功能；
根据网络报文中的GOOSE标识和GoID来区分出网络上的GoCB（Goose控制块，代表每组GOOSE报文）。计算每个GoCB每秒内收到的GOOSE报文数目，如果每秒内收到的报文数多于200帧（此值可设定，低于200帧装置能够处理，不需要过滤，一遍50以上都说明网络异常了），认为可能是风暴报文，进入风暴抑制模式。
（2）进入风暴抑制模式后，建立老化定时器，对此GoCB的数据区内容计算CRC，将计算结果不同的CRC保存在CRC值缓存表中。超过1s收不到与缓存表内相同CRC值的重复报文，清空该CRC值缓存表，可接收新CRC值的报文；
进入风暴抑制模式后，建立老化定时器（老化是指旧的，可以丢弃替换的），定时器时间设置为1s（有效报文会夹杂在风暴报文中，通过1s的设置可以保证有效的报文不会丢失）。采用CRC-32的算法计算GOOSE报文数据区内容的CRC，因为风暴中的过滤机制就是为了将同一GoCB的GOOSE报文数据区内容一致的报文丢弃，所以仅计算数据区的值、品质、时间即可。计算的结果与存储在CRC值缓存表中的CRC一一对比，如果比较不一致就记录到表内，反之丢弃此报文。超过1s，清空CRC缓存表，计算GOOSE报文数据区内容的CRC直接填入新的CRC缓存表；
（3）进入风暴抑制模式后，过滤风暴报文，每9ms最多处理2帧GOOSE报文。分别是9ms首帧和与首帧数据区CRC值不一致的第一帧。
进入风暴抑制模式后，为了保证CPU性能，不被风暴报文将CPU全部抢占，因此每9ms只处理2帧GOOSE报文，分别是每9ms收到的第一帧报文和CRC值与缓存表内不一致的第一帧报文。超过2帧的报文则丢弃。
风暴报文每9ms处理一次，对应CPU来说是没有任何压力的。同时如果9ms内有正确的报文传输，因CRC与风暴报文的CRC不一致，装置也能正确处理。从而保证风暴环境下正常GOOSE报文的处理，既能满足正常跳闸动作时间要求，又可以抑制风暴报文对CPU效率的影响。
2.2 异常报文判断机制
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订阅端初始上电或双网链路均中断时，状态序号StNum和顺序序号SqNum均默认为0。此时发布端的GOOSE报文中的StNum一定大于默认值，根据图2，A，B双网非预期计数器清零，接收GOOSE报文，更新数据。目的是防止在重新上电或链路中断恢复时，因报文丢失导致数据长期无法更新。
同一网络，同一GoCB的GOOSE报文StNum变小，或同一网络，同一GoCB的GOOSE报文StNum不变，SqNum变小均认为非预期报文，当接收到非预期报文时，根据所属网络号对非预期报文计数进行累加。当仅一个网络收到非预期报文时，此时仍采用双网接收机制。任何情况下均不会使用非预期报文更新数据，且此时若另一个网络接收到正确变位报文则可以立刻响应
若双网均收到非预期报文，双网非预期计数器也超过两帧，判断为对侧装置重启或网络异常导致丢帧所致，为了防止出现此情况后GOOSE报文长期丢弃，数据一直无法更新，因此清空非预期计数器，强制更新数据（报文数据区内容）。
双网任意一个网络中断的情况下，GOOSE双网接收机制切换为单网接收机制。
2.3 异源数据判断机制
在该GoCB设置的生存允许时间内，收到GoID相同的报文超过3帧，判断网络上存在异源数据并告警。
目前国内变电站的GOOSE发布和订阅配置流程是由工程人员通过系统配置工具导出CCD文件，再下装到装置中。如果出现CCD文件下错装置的情况，就可能产生异源数据，也就是网络上出现多个GoCB相同，但源地址和数据不同的报文。如果通过源地址来判断，需要维护装置源地址与GoCB的映射关系，一旦变动，需要修改映射，不便于管理。
通过生存允许时间内收到的报文数目来判断，正常运行的变电站网络上的GOOSE报文一般是每T0时刻发送一帧心跳报文，生成允许时间是2倍的T0，此时间内最多收到3帧报文。超过3帧说明网络上可能存在异源数据，通过告警信号通知运维人员及时处理。
3 方案实施
本领域内的技术人员应明白，本文的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
根据本文实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
4 结语
综上所述，本文是基于GOOSE双网接收机制的异常判断方法，分析实际变电站可能出现的GOOSE异常情况，以原有正常情况下的GOOSE双网接收机制为基础，增加了网络风暴，非预期报文，异源数据等异常情况的判断。为数字化变电站的安全运行提出了一种可行的方法。
本文可以保证GOOSE双网接收，无论是网络风暴、非预期报文、异源数据等异常情况下，订阅端能及时发现异常，根据其判断机制采用正确的GOOSE数据。
参 考 文 献
[1]IEC61850-8-1: 2004 communication networks and systems in substations: Part 8-1 specific communication service mapping (SCSM) – mappings to MMS (ISO/IEC 9506 part 1 and part 2) and to ISO/IEC 8802-3[S].
[2]何鑫,杜杰,尹璐.站域保护网络数据传输可靠性的研究[J].电子设计工程,2019,27(16):107-112.
[3]臧峰,徐卫峰,吴波,牛洪海.GOOSE协议分析及其在工业过程控制中的应用[J].自动化仪表,2016,37(06):51-54.
[4]仲雅霓,姚成,郄朝辉,陈小卫,刘洪亮.智能变电站基于站控层GOOSE输入输出的备自投装置研制[J].电气自动化,2016,38(01):62-64.
作者简介：
章鑫杰（1988），男，学士，主要从事智能变电站平台软件开发工作.